Cell 重磅提醒年夜肠杆菌染色体折叠形式及影响因素

染色体是细胞性命运动的物资构造根底，与多种细胞进程非亲非故，如基因表白、DNA 修复和染色体拆散，其正确折叠至关紧张。一切细胞都须将本身的基因组通过折叠紧缩在一个小体积空间傍边。

与真核细胞分歧，细胞没有核膜，而且不会将其染色体 DNA 包装成相似于核小体的反复构造单位。然而，它们仍旧折叠并集中它们的染色体物资，造成一个动静的、有组织的 DNA 网络，称为类核（nucleoid）。

近日，美国耶鲁年夜学 Christine Jacobs-Wagner 研讨小组在 Cell 杂志上颁发了题为 Interconnecting solvent quality， transcription， and chromosome folding in Escherichia coli 的论文，提醒了年夜肠杆菌中的染色体折叠纪律。

在本研讨中，作者采取细胞的复杂聚合物物理学视角，将细胞质视为聚合物溶液，此中聚合物是 DNA，溶剂是细胞质中的其他一切物资（例如，水、代谢物、卵白质、核糖体和 RNA）。

依据聚合物-溶剂互相作用，溶剂的质量年夜致分为三品种型：抱负、优越和差。

在优越效应的溶剂中，聚合物和溶剂之间的互相作用优于聚合物链段之间的互相作用。相反，在不良溶剂中，聚合物链段之间的互相作用比它们与溶剂的互相作用更无利。抱负状态则是排挤和吸引互相作用被互相对消。

年夜肠杆菌细胞中的表观均匀类核年夜小

在养分穷困和养分丰厚的前提下，细胞 DNA 含量和类核年夜小根本坚持不变。

为了探测类核网格年夜小，研讨职员使用年夜肠杆菌菌株（CJW6340，表白带有 GFP 标志的人工设计的卵白质，该卵白质自组装成 25 nm 的 60 个亚基十二面体笼）进行单粒子跟踪试验。

单粒子跟踪试验显示类核不存在空间位阻，整体均匀均方位移与布朗活动一致，推测均匀类核网格尺寸 25 nm。

使用更年夜的探针 GFP-μNS 颗粒（均匀年夜小为 58 nm）的探针，发现其定位在细胞极区（即阔别类核）的能够性添加，估量表观均匀类核网格年夜小约为 50 nm。

细胞质是染色体的不良溶剂并匆匆进染色体构造域的造成

通过染色体构象的 3D 蒙特卡罗模拟将年夜肠杆菌染色体建模为自在连贯的链，调整相邻 DNA 片断之间角度范畴的约束，以模拟溶剂质量。

模拟提醒了分歧溶剂前提下染色体构象的微小差别：

绝对于抱负和优越的溶剂前提，在不良溶剂前提下，DNA 密度仿佛在空间上加倍不平均，与用超分辩率荧光图像察看的类核 DNA 密度的空间异质性一致。相比于优越的溶剂，细胞质的不良溶剂效应可以招致多至 60 倍的染色体紧缩比。

在不良溶剂中，DNA 片断往往彼此更接近，招致造成 DNA 密度高的区域与 DNA 密度低的区域交织。这种 DNA 密度的空间异质性发生了空泛征象，以添加外表的均匀网格尺寸，并许可更年夜的物体通过。

而无理想和优越的溶剂前提下，类核 DNA 密度在空间上加倍平均，均匀网格尺寸较小。

细胞质中无效的不良溶剂可以匆匆进染色体构造域（domain）的造成，这种构造相似于 Hi-C 试验中所见到的染色质相互作用域（CIDs）。只有在较差溶剂前提下能力看到年夜的域状构造。

类核体内核糖体密度的空间异质性与DNA密度呈负相关

核糖体次要以多聚核糖体模式存在，富集在类核区域之外。断层重修和核糖体定位显示，核糖体密度高度不平均。除了预期的核糖体在细胞四周富集外，核糖体在细胞质中表示出密度的异质性，包含在细胞的中间区域 (即类核区)。

在类核体内，核糖体荧光旌旗灯号与 DNA 旌旗灯号呈负相关，这阐明细胞质的不良溶剂效应是招致 DNA 密度不平均的起因，而 DNA 密度不平均又反过去影响了核糖体的定位。

转录是招致细胞质不良溶剂效应的起因

要是多聚核糖体拥堵是核样慎密化的次要匆匆进因素，那么这个假说预言，即便转录不受影响，多聚核糖体品貌的削减也会招致类核样扩张。

为了测验这种能够性，作者用春雷霉素（Ksg，一种典型的 RNA 翻译启动克制剂）处置年夜肠杆菌细胞，以将多聚核糖体转化为游离的核糖体亚单元和无核糖体的 mRNAs，削减多聚核糖体的品貌。

作者发现细胞与 Ksg 孵育 40 分钟后类核体并没有扩展，年夜多半类核体看起来加倍紧凑，细胞中可鉴别类核体的比例显着削减。

Ksg 处置招致类核向彼此挪动与归并。这种聚合能界面互相作用变小，匆匆进类核体和 RNA 之间的拆散。

而在利福平（Rif，一种广谱药物）处置后，RNA 合成结束，转录克制，核质比率 (核质面积除以细胞面积) 添加，核质产生收缩。这些成果标明 RNA 程度越高，RNA 和 DNA 之间的拆散越年夜，核样构造越慎密。

总之，DNA 和 RNA 之间的排挤作用，招致了染色体细胞质的不良溶剂效应。

招致细胞质不良溶剂效应的因素

类核卵白（NAPs）和其他 DNA 联合卵白（如转录调理卵白）是与染色体互相作用的因素之一。卵白与阴离子 DNA 聚合物的联合能局部改动染色体的静电势，通过弯转歪曲 DNA 削减 DNA 螺旋长度，进一步改动类核体的紧缩水平和网格尺寸。

高离子强度的细胞质也能够招致较差的溶剂效应。体外研讨标明，跟着盐浓度的添加，DNA 片断之间的净互相排挤削减。二价镁离子不仅可以屏障 DNA 上的电荷，还可以诱导 DNA 片断之间的互相吸引。

分子能源学模拟标明，年夜分子拥堵可以被视为无效地下降溶剂效应。是以，多聚核糖体品貌的变动、高 RNA 程度与 RNA/DNA 拆散度和类核慎密水平增年夜相关。

在 CID 域的界限，高转录活性招致重生 RNA 积聚。这些 RNA 仍旧通过 RNA 聚合酶与 DNA 联合，不克不及扩散。作者推测，为了只管即便削减与这些联合 RNA 的打仗，DNA 链通过膨胀下降其界限处的局部密度，在界限两侧造成密集的 DNA 区域。(100yiyao.com）